Der DMS-Markt und seine Entwicklung
Optische Dehnungsmessstreifen spielen ihre Vorteile zunehmend aus
Neben elektrischen Dehnungsmessstreifen (DMS) werden die optischen Varianten immer beliebter. Weil sie rein optisch messen, sind sie unempfindlich gegen elektromagnetische Felder und auch in Hochspannungsumgebungen einsetzbar. Doch wie funktionieren diese Bauelemente eigentlich?
»Optische Dehnungsmessstreifen basieren auf so genannten Faser-Bragg-Gittern, kurz Bragg-Gitter«, erklärt Dirk Eberlein, Produktmanager Dehnungsmessstreifen und experimentelle Spannungsanalyse von Hottinger Baldwin Messtechnik HBM. »Diese bestehen aus vielen Reflektionsstellen in einer Glasfaser, die einen identischen Abstand zueinander aufweisen. An jeder dieser Stellen wird ein Teil des eingestrahlten Lichtes reflektiert. Das von den einzelnen Bragg-Gittern reflektierte Licht überlagert sich, wodurch ein Reflektions-Peak entsteht. Dieser Peak weist eine charakteristische Wellenlänge auf, die vom Abstand der Reflektionsstellen abhängt.« Der für die Dehnungsmessung nutzbare Effekt besteht darin, die Dehnung formschlüssig in das Bragg-Gitter einzuleiten. Hierdurch ändert sich der Abstand der Reflektionsstellen proportional zur eingeleiteten Dehnung, wodurch sich entsprechend die Wellenlänge des reflektierten Lichtes ändert. Analog zum elektrischen DMS gilt bei optischen DMS, dass die relative Wellenlängenänderung proportional zur eingeleiteten Dehnung ist. »Einer der maßgeblichen Vorteile dieser Technologie ist, dass mehrere Bragg-Gitter innerhalb einer Glasfaser eingebracht werden können«, so Eberlein. »Entsprechend reduziert sich der Verschaltungsaufwand im Vergleich zum elektrischen DMS drastisch, denn hier muss jeder einzelne DMS mit einem getrennten Anschlusskabel versehen werden. Auch der Vorteil bei der Gewichtsreduzierung, der sich durch die Anwendung einer Glasfaser gegenüber Anschlussleitungen aus Kupfer ergibt, ist nicht zu vernachlässigen.« Darüber hinaus ergeben sich prinzipbedingt noch weitere Vorteile der optischen DMS: Weil sie rein optisch messen, sind sie unempfindlich gegen elektromagnetische Felder und auch in Hochspannungs- oder in explosionsgefährdeten Umgebungen einsetzbar.
Ein weiterer Vorteil der optischen DMS gegenüber den elektrischen Varianten ist ihre deutlich höhere Wechsellastbeständigkeit. Weil die eingeleiteten Dehnungen bei faserverstärkten Kunststoffen oftmals so hoch sind, dass die vorgeschriebenen Tests der Materialbeanspruchung nicht mehr mit elektrischen DMS durchgeführt werden können, eignen sich die optischen Varianten oft besser für die Untersuchung neuer Materialien wie etwa faserverstärkter Kunststoffe, wie sie z.B. bei Flugzeugtragflächen zum Einsatz kommen.
»Viel diskutiert ist auch die Temperaturbeständigkeit eines Faser-Bragg-Gitters«, so der Experte. »Der so genannte Temperaturkoeffizient des Brechungsindex’ ist der Grund dafür, dass das temperaturbedingte Ausgangssignal einer solchen Messstelle relativ groß ist. Das Ausgangssignal setzt sich zusammen aus dem eigentlichen Temperaturkoeffizient des Brechungsindexes und der freien Wärmeausdehnung des zu untersuchenden Bauteils. Eine Kompensation des Temperatureinflusses kann rechnerisch oder durch Einsatz einer Kompensationsschaltung erfolgen.«
Ein weiterer wichtiger Aspekt optischer DMS ist die Installation. Bisher erfolgte die Installationen einer Glasfaser mit einem Bragg-Gitter auf einem Prüfobjekt oft so, dass rechts und links des eigentlichen Bragg-Gitters ein Tropfen Klebstoff aufgebracht wird. Dabei muss die Glasfaser vorgespannt, quasi gedehnt werden, um auch negative Dehnungen, also Stauchungen messen zu können. Diese Vorspannung schränkt jedoch den Messbereich in negativer Dehnungsrichtung ein - er entspricht maximal dem Wert der Vordehnung. Erschwerend kommt hinzu, dass die Faser beim vordehnen und installieren nicht beschädigt werden darf. Optische DMS von HBM umgehen diese Schwierigkeiten, indem das Bragg-Gitter in einem Kunststoffverbund symmetrisch eingebettet ist. Diese Konstruktion leitet sowohl positive als auch negative Dehnung in das Bragg-Gitter ein. Gegenüber einer vorgespannten Faser steht dem Anwender hier ein weitaus größerer Messbereich, sowohl in positiver wie auch in negativer Dehnungsrichtung, zur Verfügung. HBM hat diese Lösung zum Patent angemeldet.
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